	GIST(광주과학기술원) 보도자료 http://www.gist.ac.kr
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자료 문의	신소재공학부 조지영 교수	062-715-2326

백금 대체할 새로운 산소 환원 반응 촉매 개발

-  레이저 식각법 도입, 성능 비슷하고 저렴한 란탄늄망간네이트 산화물 촉매 개발

-  GIST 조지영 교수팀, 촉매 분야 전문 학술지 Journal of catalysis 논문 게재

□ GIST(광주과학기술원) 연구진이 용액에 담긴 물질을 레이저로 분쇄하는 방법을 도입해 배터리 및 연료전지에 사용될 수 있는 새로운 촉매 물질을 개발했다.

∘ 조지영 교수팀(신소재공학부)이 개발한 산소 환원 반응 촉매는 기존에 많이 사용되는 값비싼 백금(Pt)을 대체함으로써 배터리나 연료전지 개발 비용을 크게 절감하고 실용화 연구에 기여할 것으로 기대된다.

□ 현재 가장 많이 사용되는 촉매인 백금의 경우 산소 환원 활성도*가 높고 낮은 작동 전압 및 안정성을 장점으로 갖지만, 값비싼 희귀 금속이어서 실용화 연구와 기술 산업화에 제한이 있다.

* 산소 환원 활성도 : 촉매 반응에서 산소가 환원이 얼마나 잘되는지를 물질의 질량 혹은 전극의 넓이당 전류 밀도로 나타낸 값

∘ 특히 촉매용 백금 분말을 만들기 위한 기존 화학합성법에서는 계면 활성제나 환원제, 산화제 등이 첨가되는데, 이 과정에서 불순물이나 오염 물질이 발생할 수 있고 합성 시간이 길기 때문에 백금을 대체할 촉매 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

□ 연구팀은 용액 속에 든 원형 디스크 모양의 란탄늄망간네이트(LaMnO3+d) 타깃에 레이저를 쏘아 분쇄하는 레이저 식각법을 활용, 페로브스카이트* 구조를 가지는 나노미터 크기의 란탄늄망간네이트 촉매를 개발했다.

* 페로브스카이트 : 러시아 광물학자 L. A. Perovski의 이름을 따서 만들어진 물질의 구조 이름으로 일반적인 화학식은 ABX3 이며 2개의 A, B 양이온과 하나의 X 음이온으로 이루어져 있다. B 이온과 산소(O)가 이루는 정 팔면체 구조로 인한 d 밴드의 전자 구조의 특이성으로 인하여 산소 환원 촉매로 주목받고 있는 물질의 구조이다.

∘ 연구팀은 레이저 식각법으로 LaMnO3+d 분말을 얻은 후 그라파이트화 탄소와 결합한 열처리를 통해 결정화된 LaMnO3+d 촉매 분말을 얻었다. 이 촉매로 산소 환원 반응 특성을 실험한 결과, 상용화 돼 있는 백금 촉매와 비교해 작동 전압(0.8V)에서의 질량당 활성도는 약 20배, 비 활성도는 약 2배 이상 커짐을 확인했다.

□ 조지영 교수는 “이번 연구는 현재 대부분의 배터리나 연료전지에 쓰이는 값비싼 백금을 대신해 사용될 수 있는 산화물 촉매를 빠르고 고순도로 제작하는 기술을 개발한 것”이라며 “향후 에너지 분야에서 적극 활용 가능할 수 있다”고 말했다.

□ 조지영 교수(교신저자)가 주도하고 김완식 박사과정생과 고피나탄 아눕(Gopinathan Anoop) 박사(공동 제1저자, 박사 후 연구원)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 신진연구자 지원사업과 리서치 펠로우 지원사업의 지원을 받았으며, 촉매 전문 분야 학술지인 저널 오브 커탤러시스(Journal of Catalysis) 2016년 11월 19일자 온라인에 게재되었다.     <끝>

※ 논문 제목 : Facile synthesis of perovskite LaMnO3+δ nanoparticles for the oxygen reduction reaction

교신저자: 조지영 교수 (GIST 신소재공학부)

1저자 : 김완식 석사 (GIST 신소재공학부, 박사과정); G. Anoop 박사 (GIST 신소재공학부, 박사 후 연구원)

용 어 설 명

산소 환원 반응 촉매

○ 베터리나 연료전지는 양극과 음극의 산화나 환원 반응에 의해 전자나 이온이 양 극단을 이동하면서 전기를 발생 시키거나 충전 시키는 원리를 이용하는데 산소 환원 반응은 외부에서 유입된 산소와 수소, 전자가 만나 물이 되어 나오는 과정으로 촉매를 통해서 산소 환원 반응의 속도를 증가 시킬 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 물질로는 Pt(백금)가 쓰이는데 단일 물질로는 가장 우수한 활성과 화학 안정성을 가지고 있지만 값이 비싸 대체를 하기 위한 연구가 활발히 진행중이다.

LaMnO3+d

○ 페로브스카이트 구조를 가지는 물질은 전이 금속의 d 오비탈 구조가 전이 금속의 종류에 따라 d 오비탈에 채워지는 전자의 수가 달라지고 이 달라진 오비탈의 전자구조가 외부 산소의 전자 구조와의 관계에 따라 반응이 잘 일어나는지 혹은 일어나기 힘든지가 결정 될 수 있는데 란탄 계열의 페로브스카이트 물질에서 망간(전이 금속)이 들어왔을 때의 d 오비탈 전자 구조가 산소와의 관계가 반응이 잘 일어나면서도 분해도 잘 일어 날 수 있어 산소 환원 반응 촉매 활성도가 높아 주목을 받고 있다.

그 림 설 명

[그림 1] LaMnO3+d 물질 타깃을 용액 속 레이저 식각법을 통해 합성하여 LaMnO3+d 분말을 얻은 후 그라파이트화 탄소와 결합한 열처리를 통해 결정화된 LaMnO3+d 촉매 분말을 만드는 과정의 모식도

[그림 2] LaMnO3+d 촉매의 산소 환원 반응 특성 분석 (a,b)과 전자 현미경 사진(c,d)
(a) 산소 환원 반응의 분극 곡선. 용액 속 레이저 식각법과 열처리를 이용하여 합성한 LaMnO3+d 촉매의 경우 벌크 물질 보다 더 높은 onset potential을 보이면서 더 빠르게 반응이 일어나며 작동 전압 부근 (0.7 V ~ 0.8 V)에서의 전류 밀도도 매우 높은 것을 확인 할 수 있다. 이는 상용적으로 쓰이는 Pt/C 20 wt% 촉매와 매우 흡사한 특성을 보여준다. (b) 작동전압 (0.8 V) 에서의 질량당 활성도 및 비활성도. 합성된 LaMnO3+d 촉매가 벌크 물질에 비해 질량당 활성도가 약 20배, 비활성도는 약 2배 이상 커짐을 보여준다. (c), (d) 합성된 LaMnO3+d 촉매 분말의 전자 현미경 사진. 약 24nm 크기로 결정화 된 모습을 확인 할 수 있다.

조지영 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항

소 속 : 광주과학기술원 신소재공학부

전 화 : 062-715-2326

e-mail : jyjp@gist.ac.kr

Homepage: http://mse.gist.ac.kr/~funoxide/

2. 학력사항

1997 - 2002  서울대학교 물리교육학과 학사

2002 - 2007  서울대학교 물리학과 박사

3. 경력사항

2007 - 2008  서울대학교 물리학과 박사후연구원

2008 - 2010  University of Wisconsin-Madison 신소재공학부 박사후연구원

2011 - 현재  광주과학기술원 신소재공학부 교수

4. 주요연구업적

[교신저자, IF: 7.354] “Facile synthesis of perovskite LaMnO3+δ nanoparticles for the oxygen reduction reaction”, Journal of catalysis 344, 578 (2016)

[교신저자, IF: 25.427] “Enhanced thermoelectric performance of PEDOT:PSS/PANI-CSA polymer multilayer structures”, Energy & Environmental Science 9, 2806 (2016).

[교신저자, IF: 5.228] “Depth resolved lattice-charge coupling in epitaxial BiFeO3 thin film”, Scientific Reports 6, 38724 (2016).

[교신저자, IF: 3.302] “Low coercive field of polymer ferroelectric via x-ray induced phase transition”, Applied physics Letters 107, 262902 (2015).

[교신저자, IF: 8.262] “Low voltage actuator using ionic polymer metal nanocomposites based on a miscible polymer blend”, Journal of Materials Chemistry A 10, 1039 (2015).

[제1저자, IF: 7.512] “Nanosecond Dynamics of Ferroelectric/Dielectric Superlattices”, Physical Review Letters 107, 055501 (2011).

김완식[공동 제1저자] 박사과정생 이력사항

1. 인적사항

소 속 : 광주과학기술원 신소재 공학부

전 화 : 062-715-3215

e-mail : kimws@gist.ac.kr

2. 학력사항

2007 - 2014  전남대학교 신소재공학부 학사

2014 - 2016  광주과학기술원 신소재공학부 석사

2016 – 현재  광주과학기술원 신소재공학부 박사 과정

G. Anoop [공동 제1저자] 박사 후 연구원 이력사항

1. 인적사항

소 속 : 광주과학기술원 신소재 공학부

전 화 : 062-715-3215

e-mail : anoopnemom@gmail.com

2. 학력사항

1996 – 1999  D. B. Pampa College 물리학과 학사

1999 – 2001  D. B. Pampa College 물리학과 석사

2001 – 2002  Titus II Teachers College, M.G. University 교육학과 교육학 학사

2002 – 2003  University of Kerala 광전자학과 준박사(M.Phil)

2004 – 2009  Cochin University of Science and Technology 물리학과 박사

2011 – 2013  중앙대학교 화학공학과 박사 후 연구원

2013 – 현재  광주과학기술원 신소재공학부 박사 후 연구원